摻聚丙烯纖維和礦渣的再生混凝土性能研究

方金苗， 涂勁松， 李文麗

(1.皖西學(xué)院 建筑與土木工程學(xué)院， 安徽 六安 237012； 2.安徽華裕工程咨詢有限公司， 安徽 六安 237000)

0 引 言

隨著經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展，我國(guó)建筑垃圾及拆卸廢棄物數(shù)量逐年增加[1].廢棄混凝土的隨意丟棄不僅占用大量的土地，而且造成環(huán)境污染[2]，而將舊混凝土骨料重新利用替代天然骨料，對(duì)節(jié)約資源、保護(hù)環(huán)境具有重要意義[3-4].相關(guān)研究表明，再生混凝土骨料相比天然碎石，因其空隙率高、吸水性大、強(qiáng)度低，在一定程度上限制了再生骨料的推廣應(yīng)用[5-6].目前，科研人員通過(guò)在再生混凝土骨料中加入纖維，進(jìn)而提高混凝土的力學(xué)性能[7-8].此外，也有學(xué)者對(duì)廢棄混凝土骨料用于高性能混凝土做了相關(guān)研究[9-10]，但針對(duì)纖維和礦物摻合料對(duì)于高性能再生混凝土力學(xué)性能和收縮性能的研究較少.基于此，本研究選擇聚丙烯纖維和礦渣作為外摻料，針對(duì)再生混凝土抗壓強(qiáng)度、劈裂抗拉強(qiáng)度、抗彎拉強(qiáng)度、吸水率及收縮性能等進(jìn)行評(píng)價(jià)，系統(tǒng)地分析了再生骨料摻量、外摻料摻配方式及摻量對(duì)再生混凝土路用性能的改善效果.并借助SEM掃描電鏡，研究纖維和礦渣復(fù)合改性材料對(duì)再生混凝土的微觀改性機(jī)理.

1 原材料及試驗(yàn)方法

1.1 原材料

1.1.1 膠凝材料.

水泥采用42.5號(hào)普通硅酸鹽水泥，其比表面積為310 m2/kg，各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)如表1所示.礦渣的比表面積為486 m2/kg，其化學(xué)組成如表2所示.

表1 42.5號(hào)水泥技術(shù)指標(biāo)

表2 礦渣化學(xué)組成及含量

1.1.2 集 料.

天然粗集料為公稱最大粒徑19 mm的碎石，細(xì)集料為細(xì)度模數(shù)為3.4的砂土；再生混凝土粗集料取自C30舊混凝土路面.天然集料和再生集料的物理性能如表3所示，粒徑分布如表4所示.由表中數(shù)據(jù)可知，天然粗集料比再生粗集料密度高，吸水率低.其中，再生集料附加砂漿的含量采用鹽酸溶出法測(cè)定.

表3 天然和再生混凝土集料的物理特性

表4 集料級(jí)配

1.1.3 減水劑.

減水劑采用BASF公司生產(chǎn)的聚羧酸減水劑，其最高減水率可達(dá)26%，推薦摻量為0.8%～1.2%.

1.1.4 聚丙烯纖維.

纖維采用聚丙烯纖維，其技術(shù)指標(biāo)見(jiàn)表5所示.

表5 聚丙烯纖維技術(shù)指標(biāo)

1.2 配合比設(shè)計(jì)

試驗(yàn)中，不同混凝土的配合比方案設(shè)計(jì)如表6所示.

表6 試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

表6中，膠凝材料用量為400 kg/m3，水灰比為0.34，砂率為0.42，再生混凝土集料替代率分別為0、30%和50%.同時(shí)，分別研究了礦渣等量替代25%水泥和摻加1%聚丙烯纖維兩種情況下，混凝土各項(xiàng)性能的變化規(guī)律.通過(guò)對(duì)不同組合的坍落度進(jìn)行測(cè)試(見(jiàn)表6)，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，聚丙烯纖維對(duì)混凝土塌落度影響較大，摻加聚丙烯纖維前塌落度為200 mm左右，摻加后為130 mm左右，但依然滿足高性能混凝土施工時(shí)的流動(dòng)性要求.

1.3 試驗(yàn)方法

1.3.1 強(qiáng) 度.

分別針對(duì)再生混凝土試件的抗壓強(qiáng)度、劈裂強(qiáng)度以及抗彎拉強(qiáng)度進(jìn)行測(cè)試，其中抗壓強(qiáng)度的試件尺寸為10 cm×10 cm×10 cm，試件在標(biāo)準(zhǔn)條件下養(yǎng)護(hù)，利用萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)分別測(cè)試其7 d、28 d和90 d的抗壓強(qiáng)度.劈裂抗拉強(qiáng)度的試件尺寸為φ10 cm×20 cm的圓柱體，將試件養(yǎng)護(hù)至28 d后，利用萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)測(cè)試其劈裂抗拉強(qiáng)度.抗彎拉強(qiáng)度的試件尺寸為10 cm×10 cm×40 cm的長(zhǎng)方體，將試件養(yǎng)護(hù)至28 d后，利用萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)測(cè)試其彎拉強(qiáng)度.

1.3.2 吸水率.

吸水率試驗(yàn)參照美國(guó)標(biāo)準(zhǔn)ASTM C642進(jìn)行，試件尺寸為10 cm×10 cm×10 cm的立方體，將試件養(yǎng)護(hù)7 d后，分別測(cè)試試件干燥前后的質(zhì)量差，以此作為指標(biāo)，評(píng)價(jià)混凝土的吸水率.

1.3.3 收縮性能.

收縮性能參照規(guī)范《公路工程水泥及水泥混凝土試驗(yàn)規(guī)程》(JTGE30-2005)中T0566-2005的試驗(yàn)方法對(duì)棱柱試樣進(jìn)行自由收縮試驗(yàn).試件尺寸為10 cm×10 cm×40 cm，試件成型脫模后，立即放入干縮室測(cè)量其干縮性能，從移入干縮室起計(jì)算，用位移傳感器分別測(cè)量1 d、3 d、7 d、14 d、28 d、60 d、90 d時(shí)試件的長(zhǎng)度，以此評(píng)價(jià)混凝土的收縮性能.

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 抗壓強(qiáng)度

不同再生混凝土的抗壓強(qiáng)度結(jié)果如圖1～圖4所示.

圖1未加外摻料的再生集料混凝土抗壓強(qiáng)度

圖2 摻加25%礦渣的再生集料混凝土抗壓強(qiáng)度

圖3摻加1%纖維的再生集料混凝土抗壓強(qiáng)度

圖4摻加纖維和礦渣復(fù)合材料的再生集料混凝土抗壓強(qiáng)度

由圖1～圖4可知，所有再生集料混凝土的抗壓強(qiáng)度均隨著齡期的延長(zhǎng)而增大.與未摻加礦渣的再生集料混凝土相比，使用25%的礦渣等量替代水泥后，對(duì)混凝土抗壓強(qiáng)度無(wú)顯著影響；當(dāng)摻加1%聚丙烯纖維后，再生混凝土抗壓強(qiáng)度顯著提高.再生集料摻量對(duì)混凝土強(qiáng)度影響較大，隨著摻量的增加，其強(qiáng)度降低.當(dāng)再生集料摻量為30%時(shí)，摻加纖維和礦渣復(fù)合材料的再生集料混凝土7 d、28 d、90 d的抗壓強(qiáng)度分別為39.8 MPa、55.5 MPa、71.7 MPa，與對(duì)照組相比分別提高了14%、14.9%、21.1%，由此可見(jiàn)，聚丙烯纖維對(duì)混凝土后期性能改善顯著.

此外，而當(dāng)用30%礦渣等量替代水泥后，再生混凝土7 d和28 d抗壓強(qiáng)度有所下降，而90 d抗壓強(qiáng)度有所提升.這是因?yàn)榈V渣的摻加可以提高膠凝材料的黏結(jié)性，減少裂縫出現(xiàn)，填充水泥基體的毛細(xì)孔，從而改善界面過(guò)渡區(qū)的性能，進(jìn)而提高混凝土抗壓強(qiáng)度.

2.2 劈裂抗拉強(qiáng)度和彎拉強(qiáng)度

不同混合料的28 d劈裂抗拉強(qiáng)度和抗彎拉強(qiáng)度如圖5～圖8所示.

圖5 未加纖維的再生集料混凝土的28 d劈裂抗拉強(qiáng)度

圖6摻加1%纖維的再生集料混凝土的28d劈裂抗拉強(qiáng)度

圖7未加纖維的再生集料混凝土的28d抗彎拉強(qiáng)度

圖8摻加1%纖維的再生集料混凝土的28d抗彎拉強(qiáng)度

由圖5、圖6可知，隨著再生集料摻量的增加，高性能再生混凝土28 d的劈裂抗拉強(qiáng)度逐漸減小，再生集料摻量分別為30%和50%時(shí)，劈裂強(qiáng)度分別降低5.2%和10.5%.當(dāng)用30%礦渣替代膠凝材料后，再生混凝土劈裂強(qiáng)度變化不大.而當(dāng)摻加纖維后，混合料劈裂強(qiáng)度顯著提高，再生集料摻量分別為30%和50%時(shí)，其劈裂抗拉強(qiáng)度分別提高了49%和58.4%.這是因?yàn)榫郾├w維具有較高的抗拉強(qiáng)度、彈性模量和有效的錨固機(jī)理，抑制了混凝土宏觀裂縫的擴(kuò)展.由圖7、圖8可知，混凝土彎拉強(qiáng)度表現(xiàn)出相似的規(guī)律.

2.3 吸水率

再生混凝土的吸水率試驗(yàn)結(jié)果如圖9所示.

圖9 再生集料混凝土的28 d吸水率

由圖9可知，在混凝土中加入礦渣，可以顯著降低其吸水率.纖維的加入對(duì)混凝土的吸水率有顯著影響，加入1%的聚丙烯纖維可使混凝土吸水率降低29%，含1%纖維的再生集料混凝土的吸水率比不摻纖維的再生集料混凝土的吸水率降低23%.這可能是由于礦渣能夠改善水泥基體的微觀結(jié)構(gòu)，減小孔隙尺寸，并中斷孔隙的連接，除了礦渣的火山灰活性外，由于礦渣粒徑小，其填充效應(yīng)也會(huì)降低吸水率.因此，纖維的加入限制了混凝土結(jié)構(gòu)裂縫的形成和擴(kuò)展，從而可以降低其滲透性.

2.4 干燥收縮性能

方案配合比下再生混凝土干縮性能測(cè)試結(jié)果如圖10所示.

圖10不同方案配合比下再生集料混凝土的收縮率

由圖10可知，礦渣和聚丙烯纖維等改性材料可以顯著改善再生混凝土收縮性能，與對(duì)照組相比，摻加30%礦渣或1%聚丙烯纖維均可降低混凝土的收縮率，而礦渣和聚丙烯纖維復(fù)合改性效果最佳，再生混凝土在14 d、60 d、90 d的收縮率較對(duì)照組相比分別降低27.0%、21.2%、22.4%.這是因?yàn)槔w維能有效抑制干燥收縮引起的裂紋擴(kuò)展，礦渣可有效填充混凝土內(nèi)部空隙，降低收縮率.

3 改善機(jī)理分析

為了分析纖維在混凝土內(nèi)部的分布及其對(duì)混凝土力學(xué)及收縮性能的改善機(jī)理，以及礦渣對(duì)于混凝土的微觀填充效應(yīng)，借助SEM掃描電鏡試驗(yàn)，分別觀測(cè)未摻加外摻料、單獨(dú)摻加聚丙烯纖維、摻加纖維和礦渣復(fù)合改性的高性能再生混凝土的界面區(qū)間，探討纖維和礦渣復(fù)合外摻料對(duì)于混凝土的微觀改善機(jī)制.不同再生混凝土的SEM掃描圖片如圖11～圖13所示.

由圖11、圖12可知，未摻加礦物摻合料時(shí)，再生混凝土混合料表面粗糙，有孔洞.這也解釋了其混合料吸水率高，力學(xué)性能低的原因.當(dāng)摻加1%聚丙烯纖維后，由于纖維在混凝土中的多維亂向分布，將混凝土黏結(jié)為堅(jiān)固的整體，其抗壓強(qiáng)度等力學(xué)性能顯著提高.由于纖維與水泥漿體黏結(jié)為統(tǒng)一的整體，在一定程度上改善了混凝土內(nèi)部的密實(shí)程度，阻斷外界水分的侵入通道，宏觀上表現(xiàn)為吸水率的降低.

圖11未加外摻料的再生混凝土掃描電鏡圖

圖12摻加聚丙烯的再生混凝土掃描電鏡圖

圖13摻加纖維和礦渣復(fù)合改性材料的再生混凝土掃描電鏡圖

由圖13可知，摻加礦渣后，由于礦渣比表面積大，在一定程度上可以促進(jìn)水泥的水化，改善混凝土的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，使得再生混凝土內(nèi)部更加密實(shí)，宏觀上表現(xiàn)為力學(xué)性能和收縮性能的提高.由于礦渣活性高，水泥漿體水化更加充分，其生成物可以更大程度的填充混凝土結(jié)構(gòu)，這也解釋了吸水率下降的原因.纖維和礦渣的復(fù)合改性對(duì)于再生混凝土各項(xiàng)性能改善顯著.

4 結(jié) 論

本研究認(rèn)為：礦渣可改善再生混凝土的抗壓強(qiáng)度，用30%礦渣等量替代水泥后，高性能再生混凝土早期強(qiáng)度有所下降，而后期強(qiáng)度有所提升.摻加聚丙烯纖維可以顯著提高再生混凝土的劈裂拉伸強(qiáng)度和抗彎拉強(qiáng)度；礦渣作為礦物摻合料對(duì)混凝土劈裂抗拉強(qiáng)度和抗彎拉強(qiáng)度影響較小.纖維和礦渣可以顯著降低再生混凝土吸水率和收縮率，而纖維和礦渣作為復(fù)合改性材料對(duì)高性能再生混凝土的吸水率和收縮性能改善最為顯著.通過(guò)掃描電鏡對(duì)再生混凝土試樣內(nèi)部微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)，摻加纖維和礦渣復(fù)合改性材料可以促進(jìn)水泥漿水化程度，改善混凝土密實(shí)度，宏觀上表現(xiàn)為力學(xué)性能和抗收縮性能的提高，以及吸水率的下降.